開關穩壓電源和線性穩壓電源

根據調整管的工作狀態,我們常把穩壓電源分成兩類:線性穩壓電源和開關穩壓電源。

線性穩壓電源,是指調整管工作在線性狀態下的穩壓電源。而在開關電源中則不一樣,開關管(在開關電源中,我們一般把調整管叫做開關管)是工作在開、關兩種狀態下的:開——電阻很小;關——電阻很大。

開關電源是一種比較新型的電源。它具有效率高,重量輕,可升、降壓,輸出功率大等優點。但是由於電路工作在開關狀態,所以噪聲比較大。 通過下圖,我們來簡單的說說降壓型開關電源的工作原理。如圖所示,電路由開關K(實際電路中為三極管或者場效應管),續流二極管D,儲能電感L,濾波電容C等構成。當開關閉合時,電源通過開關K、電感L給負載供電,並將部分電能儲存在電感L以及電容C中。由於電感L的自感,在開關接通後,電流增大得比較緩慢,即輸出不能立刻達到電源電壓值。一定時間後,開關斷開,由於電感L的自感作用(可以比較形象的認為電感中的電流有慣性作用),將保持電路中的電流不變,即從左往右繼續流。這電流流過負載,從地線返回,流到續流二極管D的正極,經過二極管D,返回電感L的左端,從而形成了一個迴路。通過控制開關閉合跟斷開的時間(即PWM——脈衝寬度調製),就可以控制輸出電壓。如果通過檢測輸出電壓來控制開、關的時間,以保持輸出電壓不變,這就實現了穩壓的目的。

開關穩壓電源和線性穩壓電源

在開關閉合期間,電感存儲能量;在開關斷開期間,電感釋放能量,所以電感L叫做儲能電感。二極管D在開關斷開期間,負責給電感L提供電流通路,所以二極管D叫做續流二極管。

在實際的開關電源中,開關K由三極管或場效應管代替。當開關斷開時,電流很小;當開關閉合時,電壓很小,所以發熱功率U×I就會很小。這就是開關電源效率高的原因。

看過完兩個關於電源的FAQ後,大家可能對電源的效率計算還不瞭解。在後面的FAQ中,我們將專門給大家介紹。

常見的用於開關電源的芯片有:TL494,LM2575,LM2673,34063,51414等等。

根據調整管的工作狀態,我們常把穩壓電源分成兩類:線性穩壓電源和開關穩壓電源。此外,還有一種使用穩壓管的小電源。

這裡說的線性穩壓電源,是指調整管工作在線性狀態下的直流穩壓電源。調整管工作在線性狀態下,可這麼來理解:RW(見下面的分析)是連續可變的,亦即是線性的。而在開關電源中則不一樣,開關管(在開關電源中,我們一般把調整管叫做開關管)是工作在開、關兩種狀態下的:開——電阻很小;關——電阻很大。工作在開關狀態下的管子顯然不是線性狀態。

線性穩壓電源是比較早使用的一類直流穩壓電源。線性穩壓直流電源的特點是:輸出電壓比輸入電壓低;反應速度快,輸出紋波較小;工作產生的噪聲低;效率較低(現在經常看的LDO就是為了解決效率問題而出現的);發熱量大(尤其是大功率電源),間接地給系統增加熱噪聲。

工作原理:我們先用下圖來說明線性穩壓電源調節電壓的原理。如下圖所示,可變電阻RW跟負載電阻RL組成一個分壓電路,輸出電壓為:

Uo=Ui×RL/(RW+RL),因此通過調節RW的大小,即可改變輸出電壓的大小。請注意,在這個式子裡,如果我們只看可調電阻RW的值變化,Uo的輸出並不是線性的,但如果把RW和RL一起看,則是線性的。還要注意,我們這個圖並沒有將RW的引出端畫成連到左邊,而畫在右邊。雖然這從公式上看並沒有什麼區別,但畫在右邊,卻正好反映了“採樣”和“反饋”的概念----實際中的電源,絕大部分都是工作在採樣和反饋的模式下的,使用前饋方法很少,或就是用了,也只是輔助方法而已。

讓我們繼續:如果我們用一個三極管或者場效應管,來代替圖中的可變阻器,並通過檢測輸出電壓的大小,來控制這個“變阻器”阻值的大小,使輸出電壓保持恆定,這樣我們就實現了穩壓的目的。這個三極管或者場效應管是用來調整電壓輸出大小的,所以叫做調整管。

像圖1所示的那樣,由於調整管串聯在電源跟負載之間,所以叫做串聯型穩壓電源。相應的,還有並聯型穩壓電源,就是將調整管跟負載並聯來調節輸出電壓,典型的基準穩壓器TL431就是一種並聯型穩壓器。所謂並聯的意思,就是象圖2中的穩壓管那樣,通過分流來保證衰減放大管射極電壓的“穩定”,也許這個圖並不能讓你一下子看出它是“並聯”的,但細心一看,確實如此。不過,大家在此還要注意一下:此處的穩壓管,是利用它的非線性區工作的,因此,如果認為它是一個電源,它也是一個非線性電源。為了便於大家理解,回頭我們找一個理適合的圖來看,直到可以簡明地看懂為止。

由於調整管相當於一個電阻,電流流過電阻時會發熱,所以工作在線性狀態下的調整管,一般會產生大量的熱,導致效率不高。這是線性穩壓電源的一個最主要的一個缺點。想要更詳細的瞭解線性穩壓電源,請參看模擬電子線路教科書。這裡我們主要是幫助大家理清這些概念以及它們之間的關係。

開關穩壓電源和線性穩壓電源

圖1

一般來說,線性穩壓電源由調整管、參考電壓、取樣電路、誤差放大電路等幾個基本部分組成。另外還可能包括一些例如保護電路,啟動電路等部分。下圖是一個比較簡單的線性穩壓電源原理圖(示意圖,省略了濾波電容等元件),取樣電阻通過取樣輸出電壓,並與參考電壓比較,比較結果由誤差放大電路放大後,控制調整管的導通程度,使輸出電壓保持穩定。

開關穩壓電源和線性穩壓電源

圖2

常用的線性串聯型穩壓電源芯片有:78XX系列(正電壓型),79XX系列(負電壓型)(實際產品中,XX用數字表示,XX是多少,輸出電壓就是多少。例如7805,輸出電壓為5V);LM317(可調正電壓型),LM337(可調負電壓型);1117(低壓差型,有多種型號,用尾數表示電壓值。如1117-3.3為3.3V,1117-ADJ為可調型)。

1.DC to DC包括boost(升壓)、buck(降壓)、 Boost/buck(升/降壓)和反相結構,具有高效率、高輸出電流、低靜態電流等特點,隨著集成度的提高,許多新型DC-DC 轉換器的外圍電路僅需電感和濾波電容;但該類電源控制器的輸出紋波和開關噪聲較大、成本相對較高。

2.LDO:低壓差線性穩壓器的突出優點是具有最低的成本,最低的噪聲和最低的靜態電流。它的外圍器件也很少,通常只有一兩個旁路電容。新型LDO可達到 以下指標:30μV 輸出噪聲、60dB PSRR、6μA 靜態電流及100mV 的壓差。LDO 線性穩壓器能夠實現這些特性的主要原因在於內部調整管採用了P 溝道場效應管,而不是通常線性穩壓器中的PNP 晶體管。P 溝道的場效應管不需要基極電流驅動,所以大大降低了器件本身的電源電流;另一方面,在採用PNP 管的結構中,為了防止PNP 晶體管進入飽和狀態降低輸出能力,必須保證較大的輸入輸出壓差;而P 溝道場效應管的壓差大致等於輸出電流與其導通電阻的乘積,極小的導通電阻使其壓差非常低。當系統中輸入電壓和輸出電壓接近時, LDO 是最好的選擇,可達到很高的效率。所以在將鋰離子電池電壓轉換為3V 電壓的應用中大多選用LDO,儘管電池最後放電能量的百分之十沒有使用,但是LDO 仍然能夠在低噪聲結構中提供較長的電池壽命。

什麼是開關穩壓器?

開關穩壓器使用輸出級,重複切換“開”和“關”狀態,與能量存貯部件(電容器和感應器)一起產 生輸出電壓。它的調整是通過根據輸出電壓的反饋樣本來調整切換定時來實現的。在固定頻率的穩壓器中,通過調節開關電壓的脈衝寬度來調節切換定時 ? 這就是所謂的 PWM 控制。在門控振盪器或脈衝模式穩壓器中,開關脈衝的寬度和頻率保持恆定,但是,輸出開關的“開”或“關”由反饋控制。

根據開關和能量存貯部件的排列,產生的輸出電壓可以大於或小於輸入電壓,並且可以用一個穩壓器產生多個輸出電壓。在大多數情況下,在同樣的輸入電壓和輸出電壓要求下,脈衝(降壓)開關穩壓器比線性穩壓器轉換電源的效率更高。

什麼是 LDO(低壓降)穩壓器?

LDO 是一種線性穩壓器。線性穩壓器使用在其線性區域內運行的晶體管或 FET,從應用的輸入電壓中減去超額的電壓,產生經過調節的輸出電壓。所謂壓降電壓,是指穩壓器將輸出電壓維持在其額定值上下 100mV 之內所需的輸入電壓與輸出電壓差額的最小值。正輸出電壓的 LDO(低壓降)穩壓器通常使用功率晶體管(也稱為傳遞設備)作為 PNP。這種晶體管允許飽和,所以穩壓器可以有一個非常低的壓降電壓,通常為 200mV 左右;與之相比,使用 NPN 複合電源晶體管的傳統線性穩壓器的壓降為 2V 左右。負輸出 LDO 使用 NPN 作為它的傳遞設備,其運行模式與正輸出 LDO 的 PNP設備類似。

更新的發展使用 CMOS 功率晶體管,它能夠提供最低的壓降電壓。使用 CMOS,通過穩壓器的唯一電壓壓降是電源設備負載電流的 ON 電阻造成的。如果負載較小,這種方式產生的壓降只有幾十毫伏。

線性穩壓器與開關穩壓器的比較如何?

線性電壓穩壓器開關電壓穩壓器

優點:

簡單

輸出紋波電壓低

出色的 line 和負載穩壓

對負載和 line 的變化響應迅速

電磁干擾 (EMI) 低

效率高(降低了冷卻所需的源電源需求)

能夠處理較高的電源密度

拓撲學結果可用於傳遞單個或多個輸出電壓,大於或小於生成的輸出電壓

缺點:

效率低

如果需要冷卻設備,則要求較大的空間

輸出紋波電壓高

瞬時恢復時間較慢

產生電磁干擾(EMI)

LDO是低壓差的器件,因此,輸出多為固定電壓,否則失去了低壓差的意義,儘管輸入電壓可以在一定的範圍。

DCtoDC是電壓轉換,有升壓、降壓等,一般升壓電路的輸出電流不可能做大,而降壓的電流可以做得較大。

TI公司有各種上述電路,可以到TI公司的網站查,數據多數是英文的。其他公司的用得不多,不好說。

DC-DC,其實內部是先把DC直流電源轉變為交流電電源AC。通常是一種自激震盪電路,所以外面需要電感等分立元件。

然後在輸出端再通過積分濾波,又回到DC電源。由於產生AC電源,所以可以很輕鬆的進行升壓跟降壓。兩次轉換,必然會產生損耗,這就是大家都在努力研究的如何提高DC-DC效率的問題。

LDO是low dropout regulator,意為低壓差線性穩壓器,是相對於傳統的線性穩壓器來說的。傳統的線性穩壓器,如78xx系列的芯片都要求輸入電壓要比輸出電壓高出 2v~3V以上,否則就不能正常工作。但是在一些情況下,這樣的條件顯然是太苛刻了,如5v轉3.3v,輸入與輸出的壓差只有1.7v,顯然是不滿足條件 的。針對這種情況,才有了LDO類的電源轉換芯片。生產LDO芯片的公司很多,常見的有ALPHA, Linear(LT), Micrel, National semiconductor,TI等。


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